Trabalho 2 - ENG275

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA
DEA - UFV
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA AGRÍCOLA
ENG 275 - FENÔMENOS DE TRANSPORTE
TRABALHO II
Viçosa - MG
Agosto de 2022
QUESTÃO 1 - Quais os efeitos benéficos e maléficos da absorção da radiação pelos gases
da atmosfera?
A absorção de energia térmica na atmosfera é chamada de efeito estufa. O efeito benéfico
que este fenômeno traz é que o mesmo garante que existam condições ideais para a vida
na Terra, pois sem ele as temperaturas no ambiente do planeta seriam extremamente
baixas. Já sobre seu efeito maléfico, poderíamos apontar o aumento da temperatura na
atmosfera, que com a presença de gases poluentes como o CO2 aumenta-se
significativamente a absorção da radiação.
QUESTÃO 2 - Por que a terra emite radiação em comprimentos de ondas longas? Em que
temperatura isto ocorre?
Isso ocorre porque a atmosfera pode ser considerada “opaca” nessa faixa de onda, tendo
assim uma maior emissividade e absorvendo mais radiação. Normalmente isso ocorre na
temperatura de 25ºC. Os comprimentos de onda longos são normalmente associados com
temperaturas baixas por terem menos energia e os comprimentos de onda curta são
relacionados com temperaturas altas e com mais energia.
QUESTÃO 3 - Por que a temperatura da atmosfera, conforme já mostrada no estudo da
estática dos fluidos, diminuiu com a altitude na troposfera e depois aumenta na
estratosfera?
Esse fenômeno da diminuição da temperatura da atmosfera ocorre com a altitude porque a
atmosfera vai ficando mais fina e consequentemente menos densa, e a temperatura dela
varia proporcionalmente à quantidade de matéria que ali está. O que acontece é que em
alturas muito altas, chegamos na chamada “camada de ozônio”, em que essa absorve muito
a radiação do sol. E com mais radiação, teremos mais agitação das moléculas e
consequentemente uma temperatura maior.
QUESTÃO 4 - Qual a diferença entre os termos radiação térmica e irradiação térmica?
O termo radiação térmica está associado à energia emitida na forma de ondas
eletromagnéticas independentemente de ter outro corpo para fazer a troca de energia. Já a
irradiação térmica é a exposição de um corpo à radiação.
QUESTÃO 5 - Explique o mecanismo que faz com que ocorra a transferência de calor por
radiação e qual lei a governa.
A partir do momento que um corpo possui uma temperatura, o mesmo possui radiação
térmica. Como dito anteriormente, esse fenômeno não depende de haver outro copo para
realizar a troca de energia, e essa transferência de energia é realizada por meio de ondas
eletromagnéticas. A lei de Stefan-Boltzmann diz que a taxa de transferência de calor é
proporcional à quarta potência de temperatura. Ou seja, Q = ε * A * σ * T4 .
QUESTÃO 6 - No caso de um coletor solar para aquecimento de água, o que as indústrias
fazem para melhorar o desempenho destes coletores com relação à superfície absorvedora.
Explique com base no estudo da radiação térmica.
Para melhorar o desempenho destes coletores o ideal é aumentar a área de troca térmica e
a espessura, colocando os coletores em ângulos específicos de inclinação que favoreçam a
absorção da radiação. Seria interessante também que a superfície fosse pintada de preto,
pois dessa forma toda radiação incidente seria absorvida.
QUESTÃO 7 - Por que usamos vidro no coletor solar térmico?
Pois como o vidro é transparente, o mesmo permite passagem de calor para a parte interna
do coletor, fazendo assim com que haja um maior aquecimento da água na tubulação.
Dessa forma, o vidro provoca um efeito estufa e impede a saída da radiação infravermelha,
retendo a mesma no interior do coletor.
QUESTÃO 8 - Um estudante informou que a região onde mora é propícia a instalação de
usinas termosolar. Segundo um radiômetro registrou o valor de 1390 W/m2 na superfície do
solo na região. O que você acha desta informação?
A irradiação solar possui um valor de cerca de 342 W/m2, onde cerca de 198 W/m2 atingem
a superfície do solo e somente 168 W/m2 são absorvidos. Logo, o valor de 1390 W/m2
encontrado pelo estudante provavelmente está errado.
QUESTÃO 9 - Quais os comprimentos de onda do espectro de radiação estão associados a
radiação térmica?
A radiação eletromagnética térmica é emitida na faixa de 0.1μm a 100μm, o que abrange os
espectros do ultravioleta e o espectro visível até enfim o infravermelho.
QUESTÃO 10 - É possível a formação de geada numa noite sem nuvens e com
temperatura acima de zero graus? Explique com base nos princípios da radiação térmica.
Sim, é possível. À noite, com a ausência da radiação solar, as plantas podem emitir muito
mais energia para o céu do que estão recebendo, pois durante o dia elas atingiram um
equilíbrio térmico da temperatura ambiente e agora tendem a atingir temperaturas mais
baixas, próximas de 0ºC. Nesse sentido, o ar úmido que estava sobre a planta se condensa,
gerando as geadas.
Exercícios
EX 1) Sobre o efeito estufa, este é fundamental para a vida na terra. Mostre qual seria a
temperatura da terra sem o efeito estufa e com o efeito estufa.
EX 2) Uma pessoa apresenta-se com febre de 38ºC e teve sua temperatura medida com um
termômetro que mira na testa e faz a leitura à distância. Em que se baseia a medida da
temperatura? Quanto esta pessoa com febre estaria emitindo de energia em relação a uma
pessoa sem febre (36,5ºC)?
O aparelho em questão mede a temperatura através da radiação infravermelha que o corpo
humano emite, de modo que quanto maior a temperatura do indivíduo, maior será a
intensidade da radiação infravermelha.
Dado os cálculos acima, é possível perceber uma diferença de 9,1 W/m2.
EX 3)Resolva o exercício sobre coletor solar para aquecimento de água no material
apresentado pelo professor José Pedrono Donoso em
http://www.ifsc.usp.br/~donoso/fisica_arquitetura/10_radiacao_termica.pdf
-Considere um coletor solar de placas planas no Estado de S. Paulo, que recebe uma
radiação solar média por unidade de área de 630 W/m2 durante 8 horas por dia a)
Determine a energia disponível, por unidade de área, por dia.
a) Determine a energia disponível, por unidade de área, por dia.
Energia por dia = 630 W/m2 * 8h * 3600s/h * 1(J/s)/W = 1,814*107 J/m2
b) Considerando que a eficiência do coletor é de 30%, qual a energia efetivamente
disponível?
Energia disponível = 1,814*107 J/m2 * 30% = 5,443 * 106 J/m2
c) Determine a energia necessária (Q = mC∆T) para aquecer 100 litros de água do
reservatório, de 25o a 75o C. A capacidade calorífica da água C = 4190 J/kg-oC
Q = 100Kg* 4190 J/KgºC * (75-25) ºC = 20.950 KJ
d) Qual a área do coletor solar a ser instalado para aquecer os 100 litros de água?
A = Q / Energia disponível = 20950 KJ / 5,443 * 106 J/m2 = 3,85m2
e) Considerando que os chuveiros elétricos contribuem para um consumo
residencial de ∼ 100 kW-h ao mês, qual a área do coletor solar necessário para
suprir esta energia? Compare sua resposta com a do item (d)
Q = (100.000 W*hora/mês) * (1 mês/ 30 dias) * (3600 s/ 1 hora) = 12.000 KJ
A = 12.000 KJ / 5,443 * 106 J/m2 = 2,45m2
Comparando com o item (d), observa-se uma diferença de 1,4m2.
f) A placa de coletor solar comercial típico tem cerca de 2 m2 de área Qual a potência
incidente num coletor de 2 placas? Qual a potência coletada (eficiência = 30%)?
Pinciedente=Eirr*Área= [(1,814*107 J/m2 * 2m2 * 2) / (86400s * 0,333)] * (1W/(1J/S)) = 2,5 * 103 W
Pcoletada = [(5,443 * 106 J/m2 * 2m2 * 2) / (86400s * 0,333)] * (1W/(1J/S)) = 755,8 W
g) Qual o tempo exigido para aquecer os 100 litros de água?
tempo = 20.950 KJ / 755,8 W = 27.718,9 s
ou 7,69 Hrs
http://www.ifsc.usp.br/~donoso/fisica_arquitetura/10_radiacao_termica.pdf
h) Faça uma avaliação da economia anual de energia elétrica e comente a viabilidade e a
competividade do investimento do aquecedor solar.
Pegando os dados apresentados no exercício de que os chuveiros consomem cerca de
100 KWh em um mês e uma tarifa de R$1,24/kWh, ha a economia de cerca de R$ 124,00
no mês. O aquecedor solar custa em média cerca de R$5.000,00. Logo, em 3,4 anos de
uso já é possível obter lucro como investimento feito.
EX 4) Um coletor solar possui uma emissividade de apenas 0,1 e absortividade de 0,95 e
não possui cobertura. Verificou-se em certo momento que a temperatura da superfície era
de 120֯C, quando a irradiação solar era de 798. Considerando que a temperatura do céu era
de -12֯C e a temperatura do ar ambiente 30֯C e que o coeficiente de convecção varia com a
temperatura pela expressão h = 0,22(Ts – Tar)1/3 para dias de calmaria(W/m2.C), pede-se:
i) Por que você acha que o coletor não tem uma cobertura de vidro?
Não há a cobertura de vidro pois caso haja, existe o risco do mesmo atrapalhar a
absorvidade do sistema, visto que essa cobertura tem a função de minimizar as perdas de
calor por radiação.
ii) Os significados de absorvidade e emissividade;
Podemos definir a absortividade (α) como a fração de energia que o corpo retém dentro de
si mesmo após ser exposto à radiação térmica. De acordo com a lei de Kirchhoff, a
emissividade de um objeto é igual à taxa de absorção de radiação pelo objeto na mesma
temperatura. Já a emissividade (ε) é a capacidade de emitir energia através da radiação
eletromagnética da superfície do corpo. A emissividade é uma função da rugosidade da
superfície, temperatura e comprimento de onda a partir do qual a radiação é emitida.
iii) A taxa de remoção de calor;
iv) A eficiência do coletor e seu significado.